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第三章 马氏体转变

第三章 马氏体转变. 将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为 A C3 以上 30℃ ～ 50℃ ；共析钢和过共析钢为 A c1 以上 30℃ ～ 50℃ ），保温一定时间后 快速 冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为 淬火 。 淬火的目的？ 为了获取Ｍ组织，它是强化钢材最主要的热处理方法。 提示： Ｍ不是热处理所要求的最后组织，淬火后，钢材还要根据不同的需要，进行不同温度的回火，这样可使淬火Ｍ获取不同的组织，从而使淬火钢零件具有不同的机械性能，充分满足各种工具与零件的使用要求。. 第三章 马氏体转变. M 与 A 相比： 成分不变

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第三章 马氏体转变

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  1. 第三章 马氏体转变 将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为AC3以上30℃～50℃；共析钢和过共析钢为Ac1以上30℃～50℃），保温一定时间后快速冷却以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。 淬火的目的？ 为了获取Ｍ组织，它是强化钢材最主要的热处理方法。 提示： Ｍ不是热处理所要求的最后组织，淬火后，钢材还要根据不同的需要，进行不同温度的回火，这样可使淬火Ｍ获取不同的组织，从而使淬火钢零件具有不同的机械性能，充分满足各种工具与零件的使用要求。

  2. 第三章 马氏体转变 • M与A相比：成分不变 晶体结构发生变化 （FCC BCC） 无扩散切变机制的相变 • 性能：硬度、强度极高，塑性、韧性较差。

  3. 重点和难点 重点：1.马氏体转变的主要特点； 2.马氏体的力学性能； 3.钢和铁合金中马氏体的组织形态 难点：1.马氏体转变的特点 2.影响马氏体转变的因素

  4. §3．1钢中的马氏体晶体结构 一、晶体结构：体心正方（由于碳的存在） 二、马氏体点阵常数与C%的关系 c=a0+αρ; a= a0-βρ; c/a= 1+γρ

  5. 三、马氏体的异常正方度 • 若三个亚点阵中均匀分布，则正方度低； • 若全部落在Z位置上（第三亚点阵），则正方度高； • 若不均匀分布，则在可能出现正交点阵（a≠b≠c） • 马氏体的正方度还会随温度的变化而改变。

  6. §3．2马氏体转变的主要特征 1.切变共格和表面浮凸现象 说明：不变平面 2.无扩散性：（1）γ-Fe（C）→α- Fe（C） FCC BCC 成分不变 （2）马氏体转变速度极快

  7. §3．2马氏体转变的主要特征 3.具有一定的位向关系和惯习面 K-S关系：{011}M∥{111}A； ‹111›M∥‹101›A 西山关系：{011}M∥{111}A；‹110›M∥‹112›A G-T关系：{011}M∥{111}A，差1 º ‹110›M∥‹211›A，差2º M在{111}A中24种取向

  8. §3．2马氏体转变的主要特征 4.惯习面 ： • 定义：马氏体是在母相一定晶面上开始形成的，这个晶面叫惯习面，通常以母相的晶面指数来表示。 • 惯习面应是“不畸变平面”，即不发生畸变和转动。 • 指数：钢中马氏体的惯习面随C%及形成温度不同而异，常见的有： • C%‹0.6%：(111)r 0.6-1.4%C：(225)r C%›1.4%C：(259)r • 马氏体形成温度降低，惯习面指数升高。

  9. 马氏体板条的两种立体形态(0.09C-3Ni-1Cr)×800a)扁条状 b)薄板状

  10. §3．2马氏体转变的主要特征 5.非恒温性 f 时间

  11. 珠光体转变： • 有孕育期 • 恒温下转变由0-100% • f∝f（τ） • 开始时间Zs和终了时间Zf • 马氏体转变 • 恒温下转变立即开始，迅速停止，不再转变 • f∝f（t℃），必须继续降温，连续冷却 • 开始温度Ms和终了温度Mf

  12. 6.不完全性 7.可逆性

  13. §3．3马氏体的组织形态一 马氏体的形态 1.板条马氏体：（低、中碳钢及马氏体时效钢、不锈钢、铁镍合金） 亚结构：位错ρ=(0.3-0.9)×1012/cm2,相当于冷作硬化位错密度 惯习面:{111}r,18-8不锈钢{225}r 位向关系:K-S关系和西山关系之间, 以G-T关系为多

  14. 含C量：‹0.3%C板条束及束中的块清楚； • 0.3-0.5%C时，板条束清楚，块不清楚； • 0.6-0.8%C时，板条混杂，无法辨认束和块。但Fe-Ni合金中，马氏体的形态几乎不受Ni含量的影响 P91钢板条马氏体中的位错

  15. 一 马氏体的形态 2.片状马氏体：（中、高碳（合金）钢及高Ni的Fe-Ni合金 ） • 惯习面及位向关系：M形成温度高时为{225}r，K-S关系；M形成温度低时{259}r，西山关系。 • 亚结构：{112}M孪晶，孪晶间距为50-100Å，但孪晶仅存在于片的中部，在片的边缘则为复杂的位错组列，孪晶区所占比例与M形成温度有关，形成温度下降，孪晶区所占的比例增加。

  16. 中脊 片状马氏体的透射电镜组织

  17. 片状马氏体 显微裂纹 • 现象：高碳钢淬火时，马氏体内部形成显微裂纹。 • 原因：马氏体形成极快，相互碰撞或与原A晶界相撞，冲击力大，且高碳马氏体本身脆，撞出裂纹。 • 表示方法：一般用单位体积中出现的显微裂纹面积表示M形成显微裂纹敏感度。

  18. 影响显微裂纹敏感度Sv的因素 马氏体片的大小和转变量f ： 马氏体片对SV影响有一个临界值，大于这个临界值时，随着转变份数f的增加，显微裂纹敏感度Sv增大。但f大于0.27,显微裂纹敏感度减小,所以，显微裂纹很大程度上取决于M片的大小。试验证明，M片越大，Sv越大。

  19. 影响显微裂纹敏感度Sv的因素 • A晶粒大小：A晶粒越大，M片的尺寸越大，所以显微裂纹敏感度越高。 • C%：C%越高，Sv越大，但是C%高于1.4%， Sv越小 • 问题：高碳钢过热淬火容易开裂； 过共析钢：不完全淬火

  20. 高碳钢的片状马氏体组织

  21. 其它形态马氏体 • 蝶状马氏体：形成温度：板条与片状M之间 形态：立体V形柱状 惯习面：{225}r 位向关系:K-S关系 亚结构：位错 性能：介于板条M与片状M之间 Fe-Ni、 Fe-Ni-C中发现

  22. 薄片状马氏体： Ms极低的Fe-Ni-C中发现 形态：宽窄一致平直的带 惯习面：{259}r 位向关系:K-S关系 亚结构： {112}M ，无中脊 薄片状马氏体组织及片内完全孪晶(Fe-Ni-C合金) (a)光学金相 (b)电子金相(透射薄膜)

  23. ε马氏体： 形态：薄片 惯习面：{111}r 位向关系: {0001}ε∥{111}A； ‹1120› ε∥‹110›A 亚结构：位错 分布：W组织 高Mn的Fe-C合金中 高锰(19%Mn)钢中的ε马氏体组织

  24. 二 、影响马氏体形态及亚结构的因素 1.化学成分 C%：小于0.3%C，板条马氏体； 0.3-1.0%C，板条M+片状M； C%大于1.0%，片状M（高碳M/孪晶M）。 合金元素：缩小A相区的元素仅形成板条马氏体； 扩大A相区的元素，合金元素含量增加，马氏体由板条状向片状变化； 降低层错能的元素，促进形成六方马氏体。

  25. 2.Ms Ms降低，M形态也发生变化

  26. 3.马氏体形成温度的影响：马氏体从板条→蝶状→透镜片状→薄片状；亚结构由位错→孪晶转化。3.马氏体形成温度的影响：马氏体从板条→蝶状→透镜片状→薄片状；亚结构由位错→孪晶转化。 4.A的层错能：层错能低，易形成六方薄片马氏体，趋向于形成位错板条马氏体，不利于形成相变孪晶，仍有争议。 5.A与M的强度

  27. §3．4马氏体转变的热力学 1.条件：深度过冷，即T0-Ms差值大。相变驱动力与过冷度有关。 热力学表达式： ΔG=-ΔGA→M+ΔGs+ΔGE+ΔGP ΔG<0, 所以：ΔT大 分析：马氏体降温形成

  28. §3．4马氏体转变的热力学 2.Ms点的物理意义 ： A和M两相自由能差达到相变所需的最小化学驱动力值的温度，或者说，Ms点反映了使M转变得以进行所需的最小过冷度。 分析M转变需要连续冷却 3.As点定义：与Ms点定义相似，为马氏体和奥氏体两相自由能差达到逆转变的最小驱动力值时的温度，并且逆转变驱动力ΔGM→A的大小和（T0-AS）成比例。 4.Md点定义：形变马氏体点，获得形变M的最高 温度。 形变诱发马氏体：A在T0与Ms之间不会转变为M，但如果对A进行塑性变形，则A在发生塑性变形的同时，将转变为M——称为形变诱发M，因形变诱发马氏体转变而形成的M称为形变马氏体。

  29. §3．4马氏体转变的热力学 • 形变诱发M机理： 5.影响钢的Ms点的因素: Ms点的实际意义 ： • Ms→亚结构→性能 • 决定室温下AR量 • 选择合适的淬火介质及淬火工艺（双液、分级淬火）。 • 加工形变诱发M的形成，其所需的切应力与Ms呈线性关系。 • A状态使用的钢，Ms点低于室温。

  30. 5.影响钢的Ms点的因素 • A的化学成分 ： C%的影响： 合金元素：Co、Al使Ms↑ ， 其余的合金元素使Ms↓。 其作用强弱顺序：Mn、Ni、Cr、Mo、Cu、W、V、Ti • 加热工艺：T ↑，时间↑， A合金化程度↑， Ms↓ 合金化程度一定，晶粒粗大， Ms↑

  31. 淬火冷却速度 • 应力和形变 • 磁场 • 其它相变 应力对Ms点的影响

  32. §3．5马氏体转变的动力学 一、马氏体的降温转变 1.Ms以下必须不断降温，马氏体晶核不断形成，且形成速度极快； 2.核形成后长大速度极快，-196℃，以105cm/s的线速度长大，一个核只需10-4—10-7s就长成单晶，表明长大所需激活能极小。 3 .单晶长大到一定尺寸后不再长大，马氏体转变的继续不是依靠已有的马氏体单晶的进一步长大，而是依靠进一步降温，形成新的马氏体核，长成马氏体。 由此可见，马氏体的转变速度仅取决于由于冷却速度所决定的形核率，而与长大速度无关，而转变量与温度有关，与长大速度无关，即等温不再转变。属瞬时形核，瞬时长大。

  33. 二、等温形核，瞬时长大 1.等温转变的动力学也可用TTT图来表示，同样具有“C“形； 2.等温形核，核形成有孕育期，形核率随过冷度的增加先增后减； 3.长大速度仍极快，且长大到一定尺寸后不再长大，故转变量决定于形核率，与长大速度无关； 4.转变量随等温时间的延长而增加； 5.只有一部分A可以等温转变为M，转变不能进行终了； 6.预先存在M对等温M转变有催化的作用。

  34. 三、爆发式转变 爆发式转变和降温转变不同，在0℃以下某一温度（Mb）突然发生，并伴有声音，同时释放出大量的相变潜热。 • 特点： 1.自促发形核，连锁反应，Z字形； 2.长大速度极快； 3.转变停止，继续降温，M转变会继续进行。 Fe-Ni-C合金马氏体转变曲线

  35. 四、表面转变 在稍高于Ms点的温度下等温，会在试样表面形成M，但心部仍为A。 • 特点： 1.等温形核，有孕育期； 2.长大速度极慢； 3.惯习面为{112}r，条状M，西山关系

  36. §3．6马氏体的转变机制 一个完善的马氏体形核与长大理论，必须能很好地阐明下列一系列问题： • 为什么有时必须降温核才能形成，而有时又可以等温形成； • 为什么在极低的温度下，仍然能以105cm/s的高速长大； • 如何解释观察到的惯习面和位向关系及表面浮凸； • 为什么在M晶体内会存在不同的亚结构； • 为什么一个M核长大到一定尺寸就不再长大。

  37. 一、马氏体成核理论 1. 缺陷成核理论（非均匀成核） 2. 核胚冻结理论 3. 层错形核：FCC的A（111）r的堆垛次序为 ABCABC……，如果在堆垛次序中出现层错，则堆垛次序为ABCABABCABC…，ABCACBCABCA……。层错所在部位的堆垛次序为ABAB或CAC，与密排六方点阵的密排面次序相同，成为六方马氏体（ε´）相的核胚 。 4.自促发成核

  38. 二、马氏体转变的切变模型 1.贝茵（Bain）模型 2.K-S模型 • 优点：解释点阵改组，K-S关系。 • 缺点：惯习面只有（111）r，无（225）r、和（259）r；表面浮凸与实测结果相差太大

  39. 2.K-S模型

  40. 3. G-T模型

  41. §3．7马氏体的性能 一、马氏体的硬度和强度 1.马氏体的硬度和强度 马氏体的硬度取决于M中固溶的C量，与Me关系不大。

  42. 2.马氏体高强度和高硬度的本质 • 相变强化 • 固溶强化 • 时效强化 • 马氏体的形变强化特性 • 孪晶对M强度的贡献 • 奥氏体晶粒大小和马氏体束大小对强度的贡献 σ0.2=608+69dr-1/2 (Mpa) σ0.2=449+60dM-1/2 (Mpa

  43. §3．7马氏体的性能

  44. §3．7马氏体的性能 二、马氏体的韧性： 马氏体的韧性主要受亚结构的影响，位错型M，其韧性高，孪晶M，其韧性低。 铬钢不同形态马氏体对钢塑性和韧性的影响

  45. 三、马氏体的相变塑性（超塑性） 应用：加压淬火、加压冷处理、高速钢拉刀淬火时的热校等。 Fe-15Cr-15Ni合金在不同温度下拉伸的延伸率

  46. 四、马氏体的物理性能 1．高铁磁性和高矫顽力。 2．电阻值高于奥氏体和珠光体。 3．比容最大，马氏体与奥氏体比容差大，因此淬火零件易产生变形，扭曲和开裂。

  47. §3．8奥氏体的稳定化 A稳定化：A在外界因素的作用下，由于内部结构发生了某种变化而使A向M转变呈现迟滞的现象。 一、A的热稳定化：淬火时因缓慢冷却或在冷却过程中停留引起A稳定性提高，而使马氏体转变迟滞的现象——称为A热稳定化。 1.现象 2.表示方法：滞后的温度间隔θ或少形成的马氏体量δ 3. MC

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